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激光陀螺仪


【2021-09-21】 【军事】


航母上用的陀螺有多先进,仅三国能造,高伯龙院士花43年成功掌握

在现代战争中,你可以经常看见这样的情景,交战双方正在进行激烈战斗,突然,空天导航卫星被摧毁,信号随之中断。然而,这并不代表战争的结束,部分高新武器火力依然按照计划击中了既定目标。在这背后,就是激光陀螺的作用。

激光陀螺和我们在北方看到的用鞭子抽的陀螺可不是一种东西,但是其中有部分原理相同,激光陀螺是一种无质量的光学陀螺仪。利用环形激光器在惯性空间转动时正反两束光随转动而产生频率差的效应,来测量敏感物体相对于惯性空间的角速度或转角。

它用激光来作为方位测向器,以光程差来测量旋转角速度。激光陀螺仪通常装置在除了要定出东西南北方向,还要能判断上方跟下方的交通工具或载具上,像是飞机、飞船、飞弹、人造卫星、潜艇等等。

早在二战期间,德国研制出的第一枚无线电制导滑翔炸弹,这是人类史上第一款制导武器。那时候,人们就明白,驰骋在现代战场上的飞机、导弹、坦克以及各类水面舰艇,在预定导航作战时无不需要精准的方位、速度、姿态等信息,而这都要依赖惯性导航系统,可以说它是导航“心脏”。

美国火箭先驱罗伯特.戈达尔试验了早期的陀螺系统。二战期间经德国人冯布劳恩改进应后,应用于 V-2火箭制导。传统的惯性导航主要是机械式陀螺,其制作工艺要求高,体积庞大,精度也受到极大限制。

在1963年的时候,美国斯佩里公司研制出世界上第一台环形激光陀螺试验装置,该装置的正方形光路边长为1m,可测量旋转速率,自此以后,激光陀成为了现代航空,航海,航天和国防工业中广泛使用的一种载体的惯性导航及制导仪器,是航空、航海及太空导航系统中判断方位的主要依据。

激光陀螺与传统的机电陀螺相比,最大的特点是不需要转动部件,所以耐冲击力强,坚固可靠,使用寿命较长。由于接通电源就能产生激光,所以不存在怠速反应,起动时间短,而且运行过程中的稳定性好,抗干扰能力无限,迄今为止没有任何一种方式可以远距离干扰陀螺仪的工作。

激光陀螺的结构十分简单,功耗很小,易于维护,造价低廉。最重要的一点,就是激光陀螺能够直接输出数字化控制信号,而不是像以前那样先输出模拟信号,再将其转换为数字信号。能够直接输出数字信号,就能够直接与计算机系统相连,这对于实现自动化或智能化控制非常重要, 另外,陀螺仪还可以在地下,水下,封闭空间内使用。

可以说,如果没有激光陀螺,那么没有精确制导武器。如今的战斗机、潜艇、导弹、人造卫星、火箭等都装备了激光陀螺。

特别是在航母上,无论是航母本身,还是其所装备的舰载机以及导弹,都需要激光陀螺。

萨基姆公司的西格玛40系列激光陀螺惯导系统已应用于“凯旋”、“梭鱼”、“红宝石”和AIP潜艇、“戴高乐”号航母、阿联酋的阿布扎比级反潜护卫舰等。而斯佩里公司研制的MK49 Mod0型激光陀螺只装备美国海军,严格禁止向其它国家出售。

激光陀螺是所有国家都想要掌握的高精尖科技,激光陀螺虽然结构简单,组成激光陀螺的基本元器件有氦氖激光器,全反射镜,半透半反射镜,但是想要掌握,难度却非常高,它集成了光、电、机、材料等诸多领域尖端技术。它不仅是一个全新的领域,更是一个世界性难题。

接下重担,高伯龙研发激光陀螺

在以前,仅有三个国家掌握了激光陀螺技术,分别是美俄法三个国家。早在1971年,激光陀螺研制出的第8年,钱学森就意识到了激光陀螺的重要性。

在钱老的倡议下,国防科技大学成立了激光研究实验室,钱学森相中了高伯龙,认为他能够完成这项艰巨的任务。当时高伯龙已经47岁,他之前主要从事的是应用物理研究、教学,并没有激光领域的相关经验。

而当时刚刚成立的激光研究实验室对激光陀螺知之不多,钱学森将仅写有激光陀螺简单原理的两张小纸条交给了课题组,这两页纸上都是英语,只有一个光路图。这两张纸条就成为了当年研究的所有基础。

但是高伯龙并没有辜负钱学森的期望,高伯龙就根据这个开始了对激光陀螺的基本理论进行深入、系统的研究。

在当时激光陀螺主要有四种方案,当时国外普遍采用二频抖动方案,再加上美国放弃了四频方案,所以国内科学界普遍对四频差动方案不看好。可是高伯龙在仔细研究之后,认为依照我国现在的科技水平,觉得四频方案可行性更高。

1975年,在全国激光陀螺学术交流会上,高伯龙提出必须采用四频差动陀螺方案!此言一出,等于否定了国内的通行方案,国内质疑声再起:“国外有的你们不干,国外干不成的你们反而干。”

但是高伯龙认为“外国有的、先进的,我们要跟踪,将来要有;但并不是说外国没有的我们不许有。

他对自己的理论进行了周密的计算推演后认为美国之所以放弃四频差动方案,是搞错了其科学原理,高伯龙认为发展四频差动方案是最优方案。

经过不断研究,高伯龙在突破了四频差动陀螺若干关键理论问题后提出了我国独有、完全没有任何成功经验可借鉴的四频差动陀螺研制方案。后来,他更是将研究心得整理成十几万字的《环形激光讲义》毫无保留地和中国所有同行分享。

而如果要造出激光陀螺,就要从零起步,因为我们不仅没有设备,连零件都没有,比如“增透膜”,当时国内顶尖镀膜机穿透率最高千分之一,而造激光陀螺起步就要万分之一。

另外,激光陀螺的出路在于极稳定光源和精密的加工工艺,尤其是光学薄膜的镀制。而要攻克腔片镀膜,首先必须研制出精确可靠的检测仪,没有检测仪就没法从客观上评估镀膜的好坏,国内根本没有这样精确可靠的检测仪。

当时国内外流行的测量方法是“光强测量法”,但是高伯龙在经过仔细分析和精密计算之后,创造性的提出了新的测量方法——“差动法”,可以不要稳光强,器件性能不理想时也能保证精度。

该方法极大地突破了当时国产元器件的精度上限,利用该原理研制的“差动型透射率反射率测量仪”(DF透反仪),完美解决了当时我国光学加工工艺落后的问题。

1993年,激光陀螺工程样机在鉴定过程中突然出现问题,有专家认为浪费了钱,要求就此画上句号,高伯龙提出在给1年的时间,一定解决此问题。

1994年,高伯龙研制的全内腔四频差动激光陀螺工程样机通过鉴定,证明了高伯龙方案的正确性。在同年,高伯龙研制的号称“检测之王”的全内腔He-Ne绿光激光器问世,意味着我国在镀膜的膜系设计和技术工艺水平上有重大突破,成为继美、德之后第三个掌握该技术的国家。

1999年我国“东风”系列弹道导弹、“红旗”系列防空导弹、“长剑”巡航导弹等一系列尖端导弹武器得以用上具有自主知识产权的激光陀螺。

我国的高精尖武器再也不用担心受制于人。中国成为继美俄法之后,第四个掌握激光陀螺技术的国家。

高伯龙院士研制的四频方案比二频方案更为先进,属于第二代激光陀螺,其远离锁区、精度更高,而且使用动态范围更大,满足了中国多款先进武器之用,包括飞豹战斗机,歼-10战斗机等,我国的航母也将采用国产的激光陀螺!

后来,美国的利顿公司也重新上马四频方案。利顿公司也研制的ZLG四频差动激光陀螺以其全固态、无抖动部件的“安静型”特有优势在航空、航天、导弹、侦察等领域获得了广泛应用。

43年努力,构建高水平激光陀螺全闭环研发体系

21世纪初,早已到退休年纪的高伯龙又将目光投向激光陀螺最主要的应用领域——组建惯性导航系统。那时国内已有多家单位开展此类研制,采用的是捷联式惯导系统。高伯龙经过亲自调研提出必须给该系统加转台的方案,不少专家对此持否定态度。

然而。70多岁的高伯龙又没有放弃,2010年,具有一定工程化的旋转式惯导系统面世,精度国内第一。如今,高伯龙和他的团队研制的旋转式惯导系统已成为国内惯导界主流。

2014年,中国已经构建了具有独立知识产权的高水平激光陀螺全闭环研发体系,研发与应用水平达到了国际先进、国内领先水平。从1971年到2014年,整整43年的努力。

团队研制的两大系列、九种型号的激光陀螺成为应用在陆、海、空先进武器装备的关键部件,为推进我国武器装备发展和提升部队战斗力发挥了重要作用。

因为从事工作的特殊性,高伯龙一直隐姓埋名,在参与激光陀螺研制工作数十年间,仅公开发表论文30余篇,但每一篇都具有很强的实践性和指导性,高伯龙一生培养的30多名研究生,都成长为我国激光陀螺研制领域的领军人物和重要技术骨干。

等到解密的时候,高伯龙已经80多高龄,可以说,没有高伯龙的努力,中国的高精尖武器的核心零件激光陀螺就只能依赖进口,而一旦国外对中国禁运,缺了高精度陀螺仪,后果将不堪设想。

中国的崛起,离不开高伯龙等一批科学家的付出。

2017年夏天,躺在病床上的高伯龙高老看到和自己奋战50多年的搭档著名激光陀螺技术专家丁金星时,他还在为没有完成研制最新型的激光陀螺而遗憾,即使生命最后一刻,他也还在查阅资料, 2017年12月6日,89岁的高伯龙永远离开了我们。高伯龙院士从来没有觉得自己很伟大,他曾这样评价自己:唯一能安慰的是,没有做过亏心事,到底还干了一些事,对人民和社会能作交代,虽然还不够。在高老去世以后,他的搭档与战友,80多岁的丁金星依然奋战在装备科研生产第一线。



                      
 

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